壓縮感知理論中的建筑電氣系統(tǒng)故障診斷分析

周迪

中國(guó)銀行股份有限公司安徽省分行基建辦公室 安徽 合肥 230001

引言

傳統(tǒng)的電氣故障診斷方法是以人工判斷為主，最終的恢復(fù)時(shí)間主要取決于工作人員的技術(shù)水平。傳統(tǒng)的故障診斷方法效率低，人工誤差大，已經(jīng)不能滿足電氣行業(yè)的發(fā)展，因此技術(shù)人員要努力學(xué)習(xí)和研發(fā)新的技術(shù)，將現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用于建筑電氣系統(tǒng)的故障診斷中，不僅能提高診斷效率，還能保證故障診斷的準(zhǔn)確性，甚至可以提出相關(guān)的故障解決措施。本文主要介紹的是壓縮感知理論和該理論在電氣系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用，希望對(duì)相關(guān)的工作人員有所幫助。

1 壓縮感知理論概述

1.1 壓縮感知理論的介紹

壓縮感知理論又被稱為壓縮采樣或者稀疏采樣，主要是利用訊號(hào)稀疏的特性，通過(guò)較少的計(jì)算還原出想要得到的信號(hào)。壓縮感知理論是在2004年被科學(xué)家提出，但是在很早以前，就已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，例如信號(hào)處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)成像等方面。壓縮感知的前提是信號(hào)具有可壓縮性，工作人員通過(guò)各種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)高維信號(hào)的感知，優(yōu)化了信號(hào)恢復(fù)的措施，是數(shù)學(xué)理論和工程應(yīng)用的完美結(jié)合。

目前而言，壓縮感知理論在無(wú)線通信、陣列信號(hào)處理、雷達(dá)成像、模擬信息轉(zhuǎn)換和生物傳感方面都有一定的應(yīng)用，并都取得了一定成績(jī)，例如在雷達(dá)成像中，壓縮感知理論的應(yīng)用減少了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，改善了成像質(zhì)量。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，科研人員會(huì)用壓縮感知來(lái)解決非線性函數(shù)參數(shù)的問(wèn)題、量化誤差問(wèn)題等。

1.2 壓縮感知理論的原理

圖1 壓縮感知理論原理圖

該圖是壓縮感知理論文章中最常見(jiàn)的一幅圖，本文也利用此圖片來(lái)介紹該理論的原理。在此圖片中技術(shù)人員需要收集的信號(hào)是S，按照傳統(tǒng)的處理方式技術(shù)人員需要知道一個(gè)矩陣Ψ，然后經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算，最終找出信號(hào)S。但是壓縮感知理論不需要進(jìn)行高強(qiáng)度的計(jì)算，采用高斯隨機(jī)矩陣作為采樣矩陣，再用對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式就能算出采樣信號(hào)y，y的長(zhǎng)度為M，y的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S的長(zhǎng)度，但是卻可以表達(dá)信號(hào)S，這就是壓縮感知理論的原理。

使用壓縮感知理論是需要具備一定前提條件的，首先是該信號(hào)在頻域具有稀疏性，如果信號(hào)在該區(qū)域的非零點(diǎn)小于信號(hào)總點(diǎn)數(shù)，說(shuō)明它是稀疏的，只有這樣才具有可壓縮性。其次是不相關(guān)性，只有隨機(jī)采樣才能符合信號(hào)的恢復(fù)要求。

2 電氣設(shè)備故障的診斷原理和診斷方法

2.1 電氣系統(tǒng)故障的診斷原理

電氣系統(tǒng)的故障診斷主要是故障集的映射模式，技術(shù)人員根據(jù)故障集系統(tǒng)提取分析，準(zhǔn)確地判斷出故障的所在[1]。電氣系統(tǒng)故障的原因比較復(fù)雜，而且故障現(xiàn)象都不一樣，還可能會(huì)出現(xiàn)同一故障現(xiàn)象但是造成故障的原因不同。技術(shù)人員要將傳感器安裝在系統(tǒng)的回路中，收集系統(tǒng)的故障信號(hào)并提取相應(yīng)的特征，然后判斷故障的種類(lèi)和位置，發(fā)出警報(bào)，給出相應(yīng)的解決措施。技術(shù)人員根據(jù)這一流程，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確地判斷出故障原因，采取相應(yīng)的解決措施。

2.2 電氣系統(tǒng)故障的診斷方法

2.2.1 建模法。建模法是電氣設(shè)備故障判斷中比較常用的方法之一，是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)備的故障信息建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，技術(shù)人員通過(guò)對(duì)模型的分析判斷出設(shè)備的故障原因，根據(jù)實(shí)際原因采取相應(yīng)的解決措施，使電氣設(shè)備恢復(fù)正常使用。建模法應(yīng)用的基礎(chǔ)是設(shè)備的故障問(wèn)題符合數(shù)學(xué)建模的條件，而且在數(shù)學(xué)建模前，技術(shù)人員首先要檢測(cè)出位置故障的敏感性，才能通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)故障判斷。建模法非常容易受到數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的限制，因此要求技術(shù)人員在實(shí)際判斷中必須確保其判斷的合理性。

2.2.2 計(jì)算機(jī)診斷法。計(jì)算機(jī)診斷法主要是將現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用到電氣設(shè)備故障診斷中，能夠準(zhǔn)確地判斷出設(shè)備在運(yùn)行中存在的問(wèn)題。技術(shù)人員將計(jì)算機(jī)與設(shè)備連接，設(shè)備的使用參數(shù)都記錄在計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)檢查設(shè)備的運(yùn)行情況時(shí)，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，就表明設(shè)備可能存在問(wèn)題。技術(shù)人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示再次進(jìn)行設(shè)備檢查，排出故障信息后重新利用計(jì)算機(jī)再次檢查設(shè)備是否還存在數(shù)據(jù)異常。計(jì)算機(jī)診斷法能夠提高故障的診斷效率，提高故障診斷的準(zhǔn)確性，判斷出故障的位置和原因，減少了工作人員的工作量。

2.2.3 知識(shí)診斷法。知識(shí)診斷法是對(duì)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)水平要求極高的一種方法，不僅要求技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)過(guò)硬，還要求技術(shù)人員對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的熟練應(yīng)用程度。熟練掌握知識(shí)診斷法，是每個(gè)技術(shù)人員都要做到的，盡管現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)大幅度地簡(jiǎn)化了技術(shù)人員的工作量，但是專(zhuān)業(yè)知識(shí)是最基本的保證[2]。知識(shí)診斷法的優(yōu)勢(shì)是準(zhǔn)確性更高，更具有科學(xué)性，在沒(méi)有其他方法進(jìn)行故障診斷時(shí)，知識(shí)診斷法是最好的選擇。為了使知識(shí)診斷法的應(yīng)用更加準(zhǔn)確，企業(yè)要加強(qiáng)技術(shù)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)，保證每個(gè)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)水平都能符合要求。

2.2.4 信號(hào)診斷法。信號(hào)診斷法顧名思義是通過(guò)信號(hào)來(lái)判斷電氣設(shè)備的故障，主要數(shù)據(jù)包括頻率、頻數(shù)等，通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析確定設(shè)備的故障問(wèn)題。該方法主要是以技術(shù)人員的主觀判斷為主，因此要求工作人員的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)豐富。技術(shù)人員在保證系統(tǒng)信息全面性的基礎(chǔ)上，分析信號(hào)所存在的問(wèn)題，利用相關(guān)技術(shù)找出故障位置。該方法的弊端是故障判斷過(guò)于粗略，可能造成故障診斷不全面的現(xiàn)象，但是如果結(jié)合壓縮感知理論的應(yīng)用，就能夠提高信號(hào)診斷法的精準(zhǔn)度。

3 壓縮感知理論在電氣故障診斷中的應(yīng)用

3.1 壓縮感知理論中的信號(hào)重構(gòu)算法

技術(shù)人員在壓縮感知的過(guò)程中，如果信號(hào)本身就是稀疏信號(hào)，而且矩陣結(jié)構(gòu)和稀疏基之間沒(méi)有任何關(guān)系，需要采用相關(guān)的模式將信號(hào)恢復(fù)，然后進(jìn)行重建，使其滿足解壓縮處理的條件。重構(gòu)算法主要分為三種，第一種是貪婪算法，是以整體結(jié)構(gòu)的多次迭代計(jì)算模式為前提，獲取局部最優(yōu)解為基礎(chǔ)，利用循環(huán)迭代處理使其與原始數(shù)據(jù)越來(lái)越逼近，在保證應(yīng)用要求的前提下，確定計(jì)算結(jié)構(gòu)的完整性。貪婪算法的優(yōu)勢(shì)是效率快，測(cè)量的數(shù)據(jù)基數(shù)比較大，實(shí)際處理難度和效率相互平衡，最常見(jiàn)的貪婪算法是MP和OMP。第二種是凸優(yōu)化算法，該算法可以根據(jù)極小化數(shù)值的處理模式與目標(biāo)函數(shù)相逼近，并且能夠保證重建率，它的最大優(yōu)勢(shì)就是需要觀測(cè)的次數(shù)不多，但是計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，需要技術(shù)人員在計(jì)算過(guò)程中更加認(rèn)真，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第三種是組合型算法，該算法是利用一些基礎(chǔ)測(cè)試模式完成相關(guān)內(nèi)容的處理，使用原始信號(hào)重建機(jī)構(gòu)，就能獲取采樣數(shù)據(jù)。

3.2 壓縮感知理論在故障診斷時(shí)的工作流程

壓縮感知理論的應(yīng)用前提是信號(hào)是否存在稀疏性，因此技術(shù)人員在使用壓縮感知時(shí)，第一步要判斷該故障是否符合應(yīng)用條件，確定信號(hào)存在稀疏性才能繼續(xù)進(jìn)行操作。第二步是選擇合適的測(cè)量矩陣的處理方案，目前比較常見(jiàn)的矩陣是高斯矩陣和伯努利矩陣，高斯矩陣的隨機(jī)性很強(qiáng)，而且它與大部分的正交集或者正交字典不相關(guān)，所需要的測(cè)量數(shù)相對(duì)也比較少，因此在壓縮感知的過(guò)程中應(yīng)用比較廣泛[3]。伯努利矩陣的優(yōu)勢(shì)也很明顯，它的隨機(jī)性和高斯矩陣一樣強(qiáng)，而且在實(shí)際應(yīng)用中更容易存儲(chǔ)和實(shí)現(xiàn)。最后是建立重構(gòu)算法，重構(gòu)算法是壓縮感知的核心部分，技術(shù)人員需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的重構(gòu)算法，保證壓縮感知過(guò)程的順利進(jìn)行。

3.3 壓縮感知理論的故障診斷方法

技術(shù)人員根據(jù)電氣設(shè)備診斷時(shí)的異常信號(hào)進(jìn)行分析，提取故障信息，采用不同的算法判斷出設(shè)備的故障類(lèi)型。例如技術(shù)人員在對(duì)某一類(lèi)故障進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，整理好每個(gè)故障樣本，組成所需要的樣本矩陣。然后根據(jù)相應(yīng)的算法，算出矩陣，并求出稀疏向量，將其作為測(cè)試樣本的稀疏分類(lèi)。最后技術(shù)人員只需要對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行分類(lèi)即可，分類(lèi)時(shí)可以選擇利用分類(lèi)函數(shù)，將已經(jīng)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶入計(jì)算，求出分類(lèi)結(jié)果，完成故障的診斷。

3.4 以壓縮感知理論為基礎(chǔ)的電氣故障診斷實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前實(shí)驗(yàn)人員要搭建符合要求的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備為低壓電器裝置，220V電壓，50Hz交流電，變壓器將其轉(zhuǎn)變成15V直流輸出，起到為弱電板供電的作用[4]。選用了22個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障模擬，斷開(kāi)是正常情況，閉合則表示發(fā)生了故障。本實(shí)驗(yàn)主要為5類(lèi)故障，需要進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，技術(shù)人員需要根據(jù)不同故障的種類(lèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中技術(shù)人員要做好數(shù)據(jù)的記錄，采取多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)方法，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確地判斷出故障類(lèi)型。

4 提高壓縮感知理論在電氣故障診斷中的應(yīng)用措施

4.1 提高技術(shù)人員的水平

由于壓縮感知理論是新興技術(shù)，很多的算法和應(yīng)用還在研究階段，尤其是在實(shí)際故障診斷方面，應(yīng)用并不是很多，因此很多技術(shù)人員對(duì)該理論的應(yīng)用方法都不是很了解[5]。為了提高該理論在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用，企業(yè)需要加強(qiáng)技術(shù)人員的培養(yǎng)力度，組織技術(shù)人員學(xué)習(xí)新的技術(shù)，并進(jìn)行考核，選擇考核成績(jī)優(yōu)異的技術(shù)人員為壓縮感知理論的技術(shù)顧問(wèn)，解決其他人員在應(yīng)用該理論是遇到的問(wèn)題。有相關(guān)電氣設(shè)備專(zhuān)業(yè)的高校可以將壓縮感知理論作為新知識(shí)加入到教學(xué)中，從學(xué)生開(kāi)始逐漸滲透壓縮感知理論的應(yīng)用，不僅適用于電氣設(shè)備故障方面，還適合其他行業(yè)，現(xiàn)代化知識(shí)的滲透與普及有利于我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

4.2 完善故障診斷管理措施

由于壓縮感知理論的應(yīng)用主要是以信號(hào)為基礎(chǔ)，在電氣設(shè)備故障診斷中存在一定的局限性，當(dāng)技術(shù)人員在學(xué)習(xí)該理論時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)習(xí)慣性思維，將該方法應(yīng)用到實(shí)際診斷中，此時(shí)管理人員要做好管理工作，確定該理論是否符合實(shí)際需求，避免出現(xiàn)盲目應(yīng)用的問(wèn)題，造成故障診斷失誤[6]。在應(yīng)用壓縮感知理論前，管理人員要進(jìn)行初步判斷，判斷該故障采用哪種方式更加快捷，更加準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)影響工作效率的情況。在工作不忙的情況下，管理人員可以安排技術(shù)人員針對(duì)同一故障采用不同的工作方式進(jìn)行處理，然后工作時(shí)間和故障診斷的準(zhǔn)確性，提高技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)水平。

4.3 加強(qiáng)壓縮感知理論的實(shí)驗(yàn)判斷

電氣設(shè)備能夠保證人們的正常用電，其重要性不言而喻，壓縮感知技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用沒(méi)有完全普及，因此很少的企業(yè)將該理論應(yīng)用于實(shí)際工作中。提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的主要措施是研發(fā)新技術(shù)，企業(yè)可以建立實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)進(jìn)行設(shè)備故障診斷的實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論傳授給技術(shù)人員，保證壓縮感知理論的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

電氣設(shè)備故障診斷的重要性在于改善了傳統(tǒng)設(shè)備的維修制度，不再是設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行修理，而是預(yù)知維修，不僅提高了設(shè)備的維修效率，還節(jié)約了維修費(fèi)用，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。壓縮感知理論的提出，在很多方面都有了廣泛的應(yīng)用，而且取得了不錯(cuò)的成績(jī)，但是由于電氣設(shè)備的特殊性，在實(shí)際故障判斷中，壓縮感知理論的應(yīng)用并不多，還需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，保證故障判斷的效率。